Architektur eines verteilten Lernobjektrepositoriums

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1 Architektur eines verteilten Lernobjektrepositoriums Sascha Bobrowski, Olaf Nowaczyk 2006 Forschungsberichte des Fachbereichs Elektrotechnik & Informationstechnik ISSN /2006

2 Fachbereich Elektrotechnik Lehrgebiete Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. R. Pregla Datenverarbeitungstechnik Prof. Dr.-Ing. B. Krämer Informationstechnik Prof. Dr.-Ing. W.A. Halang Prozeßsteuerung und Regelungstechnik Prof. Dr.-Ing. H. Hoyer Optische Nachrichtentechnik Prof. Dr.-Ing. J. Jahns Bauelemente der Elektrotechnik Prof. Dr.rer.nat. W. Fahrner Elektrische Energietechnik Prof. Dr.-Ing. D. Hackstein Elektronische Schaltungen Prof. Dr.-Ing. H. Wupper Kommunikationssysteme Prof. Dr.-Ing. F. Kaderali Herausgeber: Satz: Vertrieb: Prof. Dr.-Ing. B. Krämer FernUniversität Hagen Nur über Internet:

3 Forschungsbericht 2/2006 Architektur eines verteilten Lernobjektrepositoriums Sascha Bobrowski, Olaf Nowaczyk 2006 Zur Veröffentlichung empfohlen von Prof. Dr.-Ing. Krämer Sascha Bobrowski, Olaf Nowaczyk 2006

4 Architektur eines verteilten Lernobjektrepositoriums 1 Sascha Bobrowski, Olaf Nowaczyk FernUniversität in Hagen, Hagen, Germany {sascha.bobrowski Kurzfassung Die Gestaltung einer Architektur für ein Lernobjektrepositorium weist einige Besonderheiten auf, die es zu beachten gilt. Auf Grund der Hemmschwelle, Inhalte auf einem zentralen Server einzustellen, was einen Verlust der Kontrolle über die Materialien bedeuten würde, ist für das CampusContent-Repositorium eine verteilte Architektur vorgesehen. Somit besteht die Möglichkeit, einen eigenen Server aufzusetzen, auf dem die Materialien bereitgestellt und allen Nutzern des Repositoriums zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin ist die Möglichkeit eines Schutzes von bestimmten Inhalten vorgesehen, um einen Zugriff nur mit bestimmten Rechten zu ermöglichen. Das vorliegende Dokument gibt einen Überblick sowohl über die voraussichtlichen Module und Funktionalitäten des Repositoriums, als auch einen Ausblick auf die benötigten und verwendeten Technologien und physischen Ressourcen. Zur Trennung der verschiedenen Aspekte der Gesamtarchitektur werden hierbei verschiedene Sichten verwendet, welche sich am Open Distributed Processing (ODP) Referenzmodell für offene, verteilte Datenverarbeitung ( ISO, 1996) orientieren. Keywords: Repositorium, Architektur, CampusContent 1 Überblick Aufgrund der Komplexität und des Umfangs der Gesamtarchitektur des CampusContent- Repositoriums wurde im Folgenden eine logische Unterteilung in fünf aufeinander aufbauende Sichten vorgenommen (Abbildung 1). Eine Grundlage hierfür bot das Open Distributed Processing (ODP) Referenzmodell für offene, verteilte Datenverarbeitung (ISO, 1996). Dieses stellt einheitliche Konzepte und Regeln bereit, um eine Architektur für verteilte Anwendungen umfassend zu beschreiben und hierbei auch die besonderen Anforderungen an verteilten Anwendungen wie Transparenz der Verteilung, Flexibilität von Anwendungskomponenten und Portabilität auf andere Plattformen zu modellieren. Um eine hohe Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten und den am Leistungszentrum beteiligten Autor(inn)en und Institutionen einen hohen Grad an Autonomie im Hinblick auf Organisation und Betrieb des von Ihnen genutzten Teils des Leistungszentrums einräumen zu können, wird im Projekt eine verteilte Architektur bevorzugt. Dies ermöglicht es den Lehrenden verschiedener Institutionen 1 Dieser Beitrag ist entstanden im Rahmen des Forschungsprojektes "CampusContent" (http://www.campuscontent.de), das unter der Kennziffer von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG; gefördert wird

5 ihre Materialien auf ihren eigenen Rechnern zu halten, was die Kontrollmöglichkeiten erhöhen und die Hemmschwelle zur Einstellung von Lernmaterialien senken dürfte. Um die hohe Komplexität einer verteilten Anwendung besser erfassbar zu machen, wurden unterschiedliche Sichten eingeführt, die so genannten Viewpoints. Das ODP Referenzmodell bietet fünf Viewpoints an, die jeweils unterschiedliche Aspekte und Phasen in der Entstehung als auch beim Betrieb einer verteilten Anwendung abdecken, ohne sich dabei wesentlich zu überschneiden. In Rahmen dieses Papiers sollen noch keine Spezifikationen abgeben werden, sondern verschiedene Alternativen vorgestellt und verglichen werden und unter Umständen eine unverbindliche Empfehlung abgegeben werden. Abbildung 1: Viewpoints des CampusContent-Repositorium 2 Enterprise Viewpoint Wesentliche Aspekte des Enterprise Viewpoints sind die Modellierung der Zielsetzungen, Verfahren und Regeln (vgl. SAGA, 2003:32) der Anwendung. Zentrales Ziel von Campus- Content ist die Bereitstellung einer Infrastruktur für den Austausch von Lehr- und Lernmaterialien zwischen verschiedenen Institutionen und damit eine Förderung der Wiederverwendung, sowie die Entwicklung eines Systems zur Unterstützung der Lehrenden bei der Erzeugung und Nutzung didaktischer Szenarien. Weiterhin sollen im Rahmen von Campus- Content die Lernmaterialen mit pädagogischen Funktionen wie Lernzielen und Handlungsempfehlungen angereichert werden, um sie didaktisch aufzuwerten. Für das geplante Repositorium ergeben sich daraus Anforderungen an geeignete Werkzeugfunktionen und die Gestaltung der Benutzungsschnittstelle des Repositoriums

6 Abbildung 2 gibt einen Überblick über die geplante Architektur und eine mögliche Organisation der Zugriffsrechte auf die Inhalte des verteilten CampusContent-Repositoriums. Abbildung 2: Verteilungsarchitektur und Nutzergruppen des CC-Repositoriums Das verteilte Repositorium in Abbildung 2 besteht aus insgesamt n Installationen der Software bei verschiedenen Institutionen (Universitäten, Fachhochschulen). Die unterschiedlich schraffierten Flächen der Teilrepositorien und Anwendergruppen in Abbildung 2 haben dabei folgende Bedeutung. Die Schraffuren bei den Repositorien stehen für einen Anteil geschützter Inhaltsobjekte, die nicht allgemein zugänglich sind und für die gesonderte Zugriffsrechte notwendig sind. In Abbildung 2 besitzt die dritte Anwendergruppe zum Beispiel die erforderlichen Zugriffsrechte, um auf die geschützten Inhalte des zweiten Repositoriums zugreifen zu können (identische Schraffur). Das verteile Repositorium wird mit Inhalten durch verschiedene Domänengruppen gespeist. Domänengruppen umfassen Expertinnen und Experten desselben Fachgebietes, derselben Bildungseinrichtung, mit ähnlichen Interessen oder ähnlichem Profil, die Inhalte in das Repositorium einstellen. Dabei ist es durchaus realistisch, dass eine Domänengruppe die In

7 halte nur auf bestimmten, ihrer Institution zugehörigen Servern verwaltet. Die Anwendergruppen repräsentieren verschiedene Nutzergruppen, die Inhalte aus dem Repositorium beziehen. Bei den verschiedenen Gruppen in Abbildung 2 ist zu betonen, dass es sich dabei nur um Rollen im softwaretechnischen Sinn handelt. Reale Personen können sowohl mehreren Anwender- als auch Domänengruppen zugehörig sein. Kommuniziert wird mit dem System über eine Schnittstelle, welche verschiedene (Web-) Services wie das Suchen, Publizieren und Herunterladen von Inhalten anbietet. Diese Schnittstellen werden im Computational Viewpoint genauer angegeben. 3 Information Viewpoint Mit dem Information Viewpoint werden die semantische Struktur und somit die inhaltlichen Bezüge der modellierten Daten innerhalb der Anwendung festgelegt. Nach dem CampusContent-Modell werden Materialien begrifflich in möglichst didaktikfreie Informationsobjekte auf der einen Seite sowie den damit verbindbaren Beschreibungen der intendierten Lernaktivitäten (Handlungsempfehlungen, Lernziele) auf der anderen Seite unterschieden (Heyer, 2005; Heyer, 2006; Bobrowski, 2006). Der daraus zu erwartende Vorteil ist die Erhöhung der Wiederverwendbarkeit sowohl der fachspezifischen Inhalte, als auch der weitestgehend generisch zu haltenden und damit vielseitiger einzusetzenden didaktischen Einbettung. Abbildung 3: Information Viewpoint (Klassendiagramm aus Heyer, 2006) - 4 -

8 Abbildung 3 zeigt, dass Informationsobjekte (im Diagramm als Resource bezeichnet) mit bestimmten Lernzielen verbunden werden können, welche einem intendierten kognitiven Prozess und einem Wissenstyp der Taxonomie Anderson & Krathwohls (2001) zugeordnet sind. Die Klasse Educational_scenario ist im obigen Diagramm noch ein Platzhalter und ihre Verbindung zu anderen Klassen ist zurzeit noch Gegenstand der Forschungsarbeit. Für die Ressourcen können generische Lernziele empfohlen werden, welche sich am Knowledge_type des Informationsobjektes orientieren. Weiterhin wird bei den Lernzielempfehlungen davon ausgegangen, dass sich für die verschiedenen Ausprägungen der Wissensdimension spezielle Ausprägungen der Prozessdimension am Besten eignen (Tabelle 1; Anderson & Krathwohl, 2001:239f). Für Faktenwissen eignet sich ein kognitiver Prozesse der Kategorie Erinnern am Besten, während sich für konzeptuelles und prozedurales Wissen eher Prozesse der kognitiv höherwertigeren Kategorien Verstehen und Anwenden anbieten. Zusätzlich sind Lernziele noch von den Autoren frei definierbar und explizit einem Informationsobjekt zuweisbar, was unserer Meinung nach die semantisch hochwertigste Form der Verbindung bildet. Erinnern Verstehen Anwenden Faktenwissen Konzeptwissen Prozesswissen Tabelle 1: Zusammenhang Wissensart -> kognitiver Prozess (Ausschnitt aus der Anderson & Krathwohl Taxonomie, 2001) 4 Computational Viewpoint Hauptaufgabe des Computational Viewpoints ist die Modellierung der einzelnen Komponenten des Repositoriums, sowie die Festlegung der Kommunikationsschnittstellen. Abbildung 4 gibt einen Überblick über die vorgesehenen Komponenten des CampusContent- Repositoriums. Dabei stellen Client-Programme über standardisierte Schnittstellen verschiedene Anfragen an vom System bereitgestellte und unabhängig voneinander funktionierende Services

9 Abbildung 4: Computational Viewpoint 4.1 Komponenten des Repositoriums Folgende Komponenten gelten für ein Lernobjektrepositorium als essentiell und sollten auch im CampusContent Repositorium Verwendung finden Benutzerverwaltung Das Modul für die Benutzerverwaltung ist verantwortlich für das Nachhalten der Benutzerprofile, der Zugriffsrechte einer Person sowie sämtlicher Angaben einer Person, die für eine gewünschte Personalisierung des Portals notwendig sind. Benutzerinnen steht es offen, Angaben zu ihrem für sie interessantem/relevanten Themenbereich zu machen, der bei einer Suche nach Lernmaterialien voreingestellt ist. Weiterhin können persönliche Suchabfragen gespeichert werden, um sie zu einem späteren Zeitpunkt zu reaktivieren. Suchanfragen, die nicht zum Erfolg führten, können als Filter für Services gespeichert werden, die bei der Ablage eines neuen Objekts die gespeicherten Filter automatisch aktivieren und, sollte die Suchabfrage auf das neue Objekt passen, eine Meldung an die Besitzerinnen der passenden Filter versenden Versionsmanagement In das Repositorium eingestellte Materialen sollen von allen berechtigten Benutzern bearbeitet und damit verbessert werden können. Das Versionsmanagement stellt sämtliche Funktionalitäten zur Verfügung, um Varianten und Versionen von Lernmaterialien zu verwalten und frühere Versionen wieder herzustellen. Bei einer Zusammenstellung verschiedener Materia

10 lien zu größeren Einheiten kann es zu Inkompatibilitäten kommen, wenn eine Teileinheit einer zwischenzeitlichen Änderung unterzogen wurde. Daher sollten alle Versionen separat gespeichert werden. Lehrende, welche diese Einheit in ihrem Kurs einsetzen, werden über eine Alert-Funktionalität benachrichtigt, ob sie in ihrer Kurszusammenstellung auf die neue Version umstellen möchten. Die separate Speicherung aller neuen Version ist allerdings sehr aufwändig, speicherintensiv und bei kleineren Änderungen oft unnötig. Es gilt daher im Laufe des Projektfortschritts einen Kompromiss zwischen möglichen Inkompatibilitäten und hohem Aufwand zu finden Autorenwerkzeuge Autorenwerkzeuge bieten verschiedene Möglichkeiten, bestehende Inhalte zu modifizieren oder neue zu erstellen. Dabei müssen Funktionalitäten zum Einbinden von Grafiken, Videos und anderen Multimedia-Elementen vorhanden sein. Gespeichert wird das neue erstellte Material im XML-Format, wobei eingebundene Elemente wie Grafiken innerhalb des XML- Codes referenziert werden Import / Export Materialien aus anderen Repositorien und Lernmanagementsystemen (LMS) können über die Import-Schnittstelle des CampusContent-Repositoriums eingepflegt werden. Weiterhin können Materialien exportiert werden, um sie in anderen LMS einsetzbar zu machen. Für das Projekt CampusContent bieten sich verschiedene Austauschformate wie beispielsweise SCORM an. Dabei wird die Version 1.2 von SCORM im Gegensatz zur Version SCORM2004 bereits von nahezu jedem LMS unterstützt. Hierbei sei angemerkt, dass zwar der eigentliche Inhalt exportiert werden kann, doch der didaktische Mehrwert in Form entsprechender Metadaten nach dem CampusContent-Modell verloren geht, da Bestandteile wie zum Beispiel Handlungsempfehlungen, Lernziele und eine Einordnung in eine Prozess- und Wissensdimension im SCORM-Standard nicht vorgesehen sind Ressourcenverwaltung Hauptaufgabe dieses Moduls ist die Verwaltung sämtlicher Materialien (Informationsobjekte, Übungsaufgaben, Lernziele etc.). Dazu gehören die physische Strukturierung auf den Dateiservern 2 sowie die Sicherstellung der korrekten Adressierung der Materialien, um eine fehlerfreie Präsentation zu gewährleisten. Weiterhin speichert die Ressourcenverwaltung die Be- 2 Ob Fileserver zum Einsatz kommen oder die Lerninhalte als Binary Large Objects (BLOBs) in der Datenbank gespeichert werden, ist bisher noch unklar

11 schreibung der Zusammenstellung von Materialien zu größeren Einheiten und die Verknüpfung von Materialien. Ein Beispiel für eine solche Zusammenstellung ist die Gestaltung von Lernobjekten im Projekt CampusContent. Dabei werden Informationsobjekte mit didaktischen Aspekten wie Lernzielen, Handlungsempfehlungen und Übungsaufgaben angereichert. 4.2 Web-Services Das CampusContent-Repositorium entspricht dem Aufbau einer Service-orientierten Architektur (SOA), wobei verschiedene Web-Services angeboten werden (vgl. Abbildung 4). Die Kommunikation zwischen den Clients und dem verteilten Repositorium erfolgt dabei über das Protokoll SOAP 3. Eingehende Suchanfragen (suchen) werden an alle dem verteilten Repositorium zugehörigen Installationen der Software weitergeleitet und das Suchergebnis an die Benutzerin weiter gegeben (liefern). Suchanfragen ohne Ergebnis können im individuellen Nutzerprofil gespeichert werden. Falls im Zeitverlauf Materialien eingestellt werden, welche der Suchanfrage entsprechen, wird die Benutzerin darüber in Kenntnis gesetzt (alarmieren). Webservices wie erzeugen und aktualisieren ermöglichen eine Erstellung neuer und die Modifikation bereits bestehender Materialien. Im Repositorium hinterlegte Materialien können über den Dienst veröffentlichen freigegeben werden, wobei optional der Zugriff auf bestimmte Nutzergruppen beschränkt werden kann. Weiterhin sollen sich alle Materialien über einen bereitgestellten Service (kombinieren) miteinander zu größeren Einheiten zusammenstellen lassen. Der Webservice mit Lernzielen verbinden stellt eine wichtige Basisfunktionalität des CampusContent Repositoriums dar. Wie im Information Viewpoint bereits spezifiziert, werden didaktische Aspekte aus den Lernobjekten zunächst herausgetrennt um zu möglichst didaktikfreien Informationsobjekten zu gelangen. Der Webservice bietet nun die Möglichkeit die Informationsobjekte im Sinne einer late composition mit verschiedenen Lernzielen zu verbinden um eine Anpassung an verschiedene Nutzungsumfelder zu ermöglichen (Bobrowski, 2006). Analog hierzu sind Mechanismen zur Verbindung von Informationsobjekten mit Übungsaufgaben und Handlungsempfehlung vorgesehen. 5 Engineering Viewpoint Der Engineering Viewpoint beschreibt die Verteilung eines Systems auf physische Ressourcen und gibt die Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen wieder. Hierzu gehören beispielsweise Rechner- und Kommunikationsinfrastrukturen sowie die verschiedenen 3 seit Version 1.2 keine offizielle Abkürzung mehr. Davor die Abkürzung für Simple Object Access Protocol

12 Arten von Software-Plattformen, die in verteilten Systemen zum Tragen kommen. Auch wenn für die Erstellung eines Funktionsprototyps Gesichtspunkte wie Performanz unter großer Last, Skalierung, Verteilung und Hochverfügbarkeit zunächst nachrangig sind, sollten diese trotzdem möglichst früh in den Planungen mitbedacht werden, um eine spätere Erweiterung auf den Produktivbetrieb zu erleichtern. Die hierbei zu bedenkenden Punke (vgl. BSI, 2004) sind: Skalierbarkeit von Systemen und Infrastruktur Das geplante Repositorium muss sowohl bezüglich Anzahl und Umfang der abgelegten Inhalte, als auch bezüglich der Nutzerzahl möglichst gut skalierbar sein. In einem verteilten System sind Replikationsmechanismen für Nutzerprofile, rechnerübergreifende Single-sign-on- Mechanismen (Blum, 2004) und eine standortübergreifende Indizierung der Inhalte, etwa durch Vergabe einer eindeutigen Netzwerkkennung (global_doi), vorzusehen. Höchstmögliche Verfügbarkeit Hierzu gehört sowohl die zuverlässige, robuste Zugreifbarkeit auf die Systeme im Sinne einer Rund-um-die-Uhr-Verfügbarkeit, als auch eine hohe Verfügbarkeit der bereitgestellten Funktionalität auf möglichst vielen Client- und Server-seitigen Plattformen. Physischer Schutz der Systeme Für den Produktivbetrieb sollte beachtet werden, dass die Rechnersysteme in dafür speziell ausgerüsteten Räumen des jeweiligen Rechnerbetriebs bzw. Hochschulrechenzentrums unterzubringen sind. Diese sind zumeist mit einer redundanten Stromversorgung und Klimatisierung zum Schutz der Rechner vor Überhitzung ausgestattet. Datensicherungen müssen regelmäßig nach einem Datensicherungsplan von dafür geschultem Personal durchgeführt und an einem sicheren (feuerfesten) Ort, getrennt von den Rechnersystemen gelagert werden. Ein Vorschlag für den Engineering Viewpoints des CampusContent Repositoriums ist in Abbildung 5 gegeben. Hierbei ist für jeden CampusContent-Standort eine aus Datenbank-, Applikations- und Web-Server bestehende Infrastruktur vorgesehen. Diese drei Server sind sauber durch Protokolle getrennt und der optimale Ansatzpunkt für eine Skalierung. Für den bei CampusContent im ersten Projektabschnitt geplanten Prototyp soll die Skalierung zunächst jedoch in die andere Richtung betrieben werden, indem Datenbank-, Applikations- und Web-Server auf einem einzelnen Prozessor ausgeführt werden. Mit der Vorwegplanung von Schnittstellen und Protokollen, die zunächst einen Mehraufwand darstellt, wird eine spätere Erweiterung und Verteilung der Ressourcen entscheidend erleichtert

13 Abbildung 5: Engineering Viewpoint

14 5.1 Authentifizierungsserver Wie in Abbildung 5 zu sehen, wird der Zugang zu den an verschiedenen Standorten verteilten Repositorien durch eine zentrale Authentifizierungsstelle gewährt. Diese Stelle verwaltet die Nutzerprofile und Zugangsberechtigungen der registrierten Benutzerinnen. Da es sich hierbei um personenbezogene Daten handelt, erfordert der Authentifizierungs-Server besondere technische und organisatorische Maßnahmen, um die Datensicherheit konform zum Bundesdatenschutzgesetz 4 zu gewährleisten. 5.2 Datenbankserver Der Datenbank-Server dient zur Speicherung der Referenzen auf die auf dem Dateiserver 5 befindlichen (Lern-)Inhalte des Repositoriums. Weiterhin werden in ihm auch von den Benutzern erstellte Strukturierungen der Mediendateien abgelegt. Für die konkrete Ausprägung empfiehlt es sich aus verschiedenen Gründen, die an dieser Stelle aus Platzgründen nicht diskutiert werden sollen, eine bewährte relationale Datenbank zu verwenden. Als Standardsprache für die Abfrage und Manipulation von Daten in relationalen Datenbanken hat sich SQL (Structured Query Language) etabliert. Dieser standardisierte Zugang, der gleichzeitig auch die Austauschbarkeit zwischen verschiedenen Open-Source und kommerziellen Datenbankimplementierungen ermöglicht, wird daher auch für das CampusContent-Repositorium empfohlen. Ein direkter Zugriff auf die Datenbankinhalte durch die Benutzerinnen wird ähnlich wie schon beim Authentifizierungs-Server unterbunden. Stattdessen wird ausschließlich der mittelbare Zugriff über die im Folgenden dargestellten Applikations- und Web-Server erlaubt. 5.3 Applikationsserver Der Applikations-Server stellt den Benutzern verschiedene Dienste in Form von standardisierten Web-Services zur Verfügung (siehe hierzu das Kapitel Web-Services im Computational Viewpoint). Für den Engineering Viewpoint gesondert herauszustellen sind hier die Replikations- und Indexmechanismen, mit denen ein transparenter, standortübergreifender Zugriff auf Medieninhalte in verteilten Repositorien ermöglicht werden kann. Mithilfe einer Peer-to-Peer- Verteilung können Inhaltsverzeichnisse und Metadaten beständig zwischen den Repositorien abgeglichen werden, so dass unabhängig vom Einstiegspunkt eine Übersicht über den Gesamtverbund eingeholt werden kann. Alternativ hierzu wären auch Federated-Search- 4 (siehe Anlage zu 9 Satz 1, zuletzt geprüft am 19. Januar 2006) 5 Dateiserver sind in Abbildung 5 nicht berücksichtigt. Es ist auch möglich, sämtliche Lerninhalte als binary large objects in der Datenbank zu speichern, womit keine Referenzen mehr notwendig wären

15 Mechanismen denkbar, die erst im Falle einer konkreten Anfrage entfernte Repositorien über entsprechende Web-Services durchsuchen. Diese Lösung ist sicherlich weniger aufwändig in ihrer Implementierung, bedeutet auf Seiten der Benutzer jedoch wesentlich höhere Wartezeiten. 5.4 Webserver Der Web-Server bietet über das Hypertext Transfer Protokoll (HTTP) einen Zugriff auf die CampusContent-Inhalte nach außen an, so dass diese unter Verwendung eines Standard- Browsers eingesehen werden können. Er ist verantwortlich für die Verwaltung und korrekte Auslieferung der vom Applikationsserver generierten Webseiten und damit der Haupteinstiegspunkt in das Repositorium. Über diese Webseiten erfolgt ein Zugriff auf die verschiedenen in Form von Services angebotenen Funktionalitäten des Repositoriums. 6 Technology Viewpoint Im technologischen Viewpoint werden die Standards und Techniken, welche bei der Implementierung des Repositoriums von Bedeutung sind, spezifiziert. Die hier vorgestellte 4- Schichten-Software Architektur entstand unter dem Einfluss verschiedener Grundsatzentscheidungen. Diese beinhalteten vor allem ein komponentenbasiertes Schema für eine schnellere Entwicklung von flexibleren Anwendungssystemen von höherer Qualität und zu reduzierten Kosten. Auf Grund der Anforderungen für die Verwendung bestimmter Präsentationsformate und der einfachen Zugriffsmöglichkeit über einen Internetbrowser wurde der technologische Viewpoint anhand der von Alonso (2004:6f) vorgeschlagenen vier Teilschritte eines Top- Down-Entwurfs vorgenommen

16 Abbildung 6: Vier-Schicht Architektur des CC-Repositoriums 6.1 Clientschicht Der Clientzugriff auf das CampusContent Repositorium sollte keine spezielle Software benötigen, sondern per Browser erfolgen können. Bei einer gewünschten Zugriffsmöglichkeit per PDA oder Mobiltelefon sind auf Grund des erheblich kleineren Formats des Ausgabegerätes verschiedene Technologien und Standards in der Präsentationsschicht zu berücksichtigen. 6.2 Präsentationsschicht Für den Zugriff per Webbrowser sind dabei etablierte Auszeichnungssprachen wie HTML 6 und XML 7 vorgesehen sowie CSS 8 zur W3C-konformen Formatierung der Webseiten. Für Mobiltelefone und andere Ausgabemedien mit kleinem Bildschirm ist HTML nicht konzipiert und nur eingeschränkt brauchbar. Für diesen Bereich haben sich Standards wie UMTS 9 und GSM 10, sowie Auszeichnungssprachen wie WML 11 durchgesetzt (Krämer, 2005). Bei der Verwendung von Java als Programmiersprache, kommen unter Umständen noch Technologien wie Applets und Java Server Pages zum Einsatz. Weiterhin können die HTML-Seiten durch dynamische Javascript-Inhalte ergänzt werden. Zu beachten ist hierbei, dass nicht jeder 6 Hypertext Markup Language 7 extensible Markup Language 8 Cascading Stylesheets 9 Universal Mobile Telecommunications System 10 Global System for Mobile Communications 11 Wireless Markup Language

17 Benutzer Javascript in seinem Browser aktiviert hat. Daher ist auch im Hinblick auf eine einzuhaltende Barrierefreiheit darauf zu achten, dass Javascript zwar verwendet, doch keine Grundvoraussetzung für die Benutzung der Funktionalitäten des Repositoriums sein darf. 6.3 Mittelschicht Die Mittelschicht beinhaltet die wesentlichen Bestandteile der Anwendungslogik. Dabei werden die Daten aus der Persistenzschicht die durch Datenbanksysteme realisiert wird, gelesen, durch die Anwendungslogik modifiziert und schließlich der Präsentationsschicht übergeben. Für die Implementierung der Anwendungslogik kommen als mögliche Alternativen J2EE in Kombination mit einem Application-Server, J2SE mit Tomcat als Servlet-Engine oder PHP in Kombination mit dem Webserver Apache in Frage. Für die Entwicklung von Anwendungen, dessen Bestandteile auf Wiederverwendung ausgelegt sind, hat sich Java 2 Enterprise Edition (J2EE) als besonders geeignet herausgestellt. Dabei ist die Enterprise Edition von Java mit seinen Programmierschnittstellen und Bibliotheken speziell für die Entwicklung von komponentenbasierter Software ausgelegt. Gegenüber der Standard Edition von Java werden unter anderem Technologien wie Enterprise Java Beans (EJB) und WebServices geboten. Die Zugriffe auf die Datenbank erfolgen mit Hilfe von Java Database Connectivity (JDBC). Zur Bereitstellung einer Laufzeitumgebung für J2EE Komponenten wird ein spezieller Application-Server (vgl. Abbildung 6) benötigt. Wichtige Vertreter der kommerziellen Application- Server sind BEA WebLogic, IBM WebSphere und die Application Server von Oracle und SAP. Unter den Open Source Application Servern ist vor allem JBoss zu nennen. JBoss zeichnet neben seinen niedrigen Kosten vor allem seine Stabilität und seine Standardkonformität aus. Die Standardedition von Java erlaubt die Erstellung von normalen Java Beans, welche in Java Server Pages (JSP) eingebunden werden können. Die Java Server Pages werden dabei von Tomcat in Servlets übersetzt, was eine Ausführung in der Servlet Engine ermöglicht. Verschiedene Frameworks wie zum Beispiel Struts bilden bei beiden Java Editionen eine robuste Grundlage für die Entwicklung von umfangreichen Web-Applikationen. Als Alternative für einfache E-Learning Anwendungen bietet sich als Programmiersprache (die Skriptsprache) PHP in der Version 4.X oder 5.X an in Kombination mit Apache als WebServer an. PHP wurde speziell für die Bedürfnisse des Webs entwickelt und verfügt über eine sehr große Nutzergemeinschaft. Mit der Version 5 wurde die in der vorigen Version eingeführte Objektorientierung weiter ausgebaut. Auf Grundlage der Programmiersprache PHP

18 wurden im Rahmen der CampusSource 12 Initiative bereits verschiedene Learning Management Systeme wie Moodle oder ILIAS realisiert. 6.4 Persistenzschicht Für die Speicherung der Daten der Benutzer und für die Ressourcenverwaltung bieten sich in der Persistenzschicht verschiedene Datenbankmodelle an. Während das hierarchische und das Netzwerkdatenbankmodell zunehmend an Bedeutung verlieren und nur noch in Spezialfällen eingesetzt werden, besitzen aus heutiger Sicht das relationale und das objektorientierte Datenbankmodell die größte Relevanz. In relationalen Datenbanken werden die Daten in verschiedenen zweidimensionalen Tabellen gespeichert. Dabei bildet jede Spalte der Tabelle ein Attribut und jede Zeile einen Datensatz (auch Tupel genannt). Jeder Datensatz verfügt in der Regel über einen eindeutigen Primärschlüssel. Die Verknüpfungen der einzelnen Tabellen untereinander sind über Fremdschlüssel realisiert. Objektorientierte Datenbanken speichern ihre Daten in Form von Objekten im Sinne der objektorientierten Programmierung. Ein Objekt ist hierbei ein Exemplar einer Klasse, welche durch eine Menge von Attributen und Methoden definiert ist. Die Vorteile von objektorientierten Datenbanken gegenüber den relationalen Datenbanken sind unter anderem die Möglichkeiten, Klassen ineinander zu schachteln (d.h. ein Objekt einer Klasse ist Ausprägung eines Attributes einer anderen Klasse) und die Verwendung von Vererbungsstrukturen. Nachteile gegenüber relationalen Datenbanken sind die geringere Verbreitung und die etwas schlechtere Performance

19 Literatur Alonso, Gustavo; Casati, Fabio; Kuno, Harumi; Machiraju, 2004: Web-Services Concepts, Architectures and Applications, Springer Verlag Berlin, 2004 Anderson, Lorin W.; Krathwohl, David R. [Eds.], 2001: A Taxonomy For Learning, Teaching, And Assessing : A Revision of Bloom s Taxonomy of Educational Objectives, Complete Edition. New York: Addison Wesley Longman. Blum, Thorsten, 2004: Entwicklung eines Single-Sign-On-Verfahrens auf Basis einer Certification Authority für verteilte Web-Systeme zur Integration und sicheren Nutzung angebotener Dienste, 2004, Forschungsbericht, ISSN /2004, geprüft am Bobrowski, Sascha; Nowaczyk, Olaf: Übertragung softwaretechnischer Entwurfsmethoden auf die Entwicklung wieder verwendbarer E-Learning Inhalte, 2006, eingereicht für Gesellschaft für Medien in der Wissenschaft e.v., GMW06 BSI, 2004: IT-Grundschutzhandbuch, Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik, November 2004, geprüft am Heyer, Susanne, 2005: An Analysis of Learning Resources Using a Cognitive Process Taxonomy, International Conference Interactive Computer Aided Learning 2005: Ambient and Mobile Learning. Kassel: Kassel University Press. Heyer, Susanne, 2006: Pedagogical Enrichment of Information Objects, eingereicht für Integrated Design and Process Technology, IDPT-2006 ISO, 1996: ISO/IEC : Information Technology Open Distributed Processing Reference Model: Architecture, Genf 1996 Krämer, Bernd, 2005: Mobile Learning: The Next Generation of Learning, FernUniversität s Contributions to the 2 nd Year of the Leonardo Project mlearn2, 2005, geprüft am SAGA, 2003 Standards und Architekturen für E-Government-Anwendungen Version 2.0, geprüft

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